CN102761170A - 后备式交流电源智能无缝切换系统 - Google Patents

Abstract

本发明为后备式交流电源智能无缝切换系统，解决已有系统成本高，切换的快速性和可靠性不合要求的问题。负载分别通过第一、二防倒灌切换单元与主电源连接，分别通过第三、四防倒灌切换单元与后备电源连接，第一、三防倒灌切换单元相连接，第二、四防倒灌切换单元相连接，控制单元与驱动单元连接，驱动单元分别与各防倒灌切换单元连接，负载电流过零检测电路，主电源电压采样及过零检测电路，后备电源电压采样电路接控制单元，控制单元连接后备电源驱动电路，后备电源驱动电路连接后备电源逆变电路单元。

Description

后备式交流电源智能无缝切换系统

技术领域：

本发明与应急电源有关，特别涉及后备式交流电源切换装置。

技术背景：

随着电力电子技术的快速发展。后备式交流电源大量应用于工农业生产等各个方面。同时负载对后备电源的供电可靠性和切换快速性也提出更高要求。

中国专利申请号为：201020239289.X的实用新型专利公开了一种快速切换应急电源，包括控制器、逆变器、充电器、电池组、互投装置和可控硅快速切换装置，切换时间维持在5ms内。

但是现有交流后备式电源切换技术中，由于跟踪性能差，检测反应时间迟缓，开关时间长，切换时间较长，无法满足敏感性负载要求，应用受到极大的限制。例如在特种设备、医疗救护系统、保障通信设备、金融服务器等设备的后备供电系统对应急电源供电电源的切换时间要求都十分严格，一般在1.5-3ms之间，若切换时间过长则会发生设备数据丢失甚至故障停机产生重大不良后果。

同时，在主电源与后备电源切换过程中，需要保证后备电源输出电压相位频率与主电源同步，否则容易产生环流，对后备电源产生损害。而在线式不间断电源UPS虽然可以满足无缝切换，由于切换电路复杂，存在使用寿命短，成本高的问题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种切换电路结构简单，成本低，使用寿命长，切换过程中负载供电平滑过渡，切换时间短的后备式交流电源智能无缝切换系统。

本发明是这样实现的：

本发明后备式交流电源智能无缝切换系统，负载分别通过第一、二防倒灌切换单元与主电源第一、二输出端连接负载，分别通过第三、四防倒灌切换单元与后备电源第一、二输出端连接，第一、三防倒灌切换单元相连接，第二、四防倒灌切换单元相连接，控制单元与驱动单元连接，驱动单元分别与各防倒灌切换单元连接，负载电流过零检测电路有电流霍尔传感器接入负载电路，其输出经电阻、电容和放大器组成的调理电路后再经反馈放大及零电平比较后输出脉冲波数字信号到控制单元，主电源电压采样及过零检测电路端子的第一、二接口分别接主电源的第一、二输出端N₁、L₁，输入电压经电阻按比例降压，电容滤波，一路经过零检测电路接控制单元，另一路电压信号经放大后接控制单元，后备电源电压采样电路端子的第一、二接口分别接后备电源的第一、二输出端N₂、L₂，电压信号通过电阻按比例降压，电容滤波，经第一放大器按比例缩小，再经第二放大器接控制单元，控制单元连接后备电源驱动单元，后备电源驱动单元连接后备电源逆变电路单元的开关器件T₁、T₂、T₃、T₄，开关器件输出经过第一、二结点Ta、Tb连接后备电源LCL滤波电路，经过滤波后连接到后备电源的第一、二输出端N₂、L₂。

防倒灌切换单元和开关器件T₁、T₂、T₃、T₄由一只绝缘栅双级型晶体管IGBT与一只反并联二级管组成，防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管的门极与驱动单元连接，其集电极与二极管负极连接，其发射极与二极管正极连接，集电极与负载相连，发射极与主电源或后备电源连接，第一、三防倒灌单元的二极管的负极相连，第二、四防倒灌单元的二级管负极相连，开关器件的门极与后备电源驱动单元连接，第一、三开关器件的发射极与二极管正极、后备电源正极，后备电源第二输出端连接，第二、四开关器件的发射极分别经第一、二结点Ta，Tb与第一、三开关器件的集电极连接，第二、四开关器件的集电极与后备电源负极结点Tb和后备电源第一输出端N₂连接。

驱动单元，后备电源驱动的单元为集成块M57962L，控制单元为集成块TMS2000LF2407。

控制单元连接后备电源逆变电路单元，通过控制程序调整后备电输出电压相位、幅值与频率，过程为：控制单元输出设定好相位、频率和幅值信息的正弦脉宽调制信号SPWM，输出至后备电源驱动单元，后备电源驱动单元驱动后备电源逆变电路单元的开关器件T₁、T₂、T₃、T₄按照正弦脉宽调制信号进行开关动作，输出逆变波形，经过后备电源LCL滤波电路滤波后连接到后备电源的第一、二输出端N₂、L₂。

主电源和后备电源的切换流程如下：

控制单元的捕获单元设置为只捕捉上升沿，即捕获信号的相位过零点，捕获单元使用Tx定时器，Tx设为单增记数模式，主电源电压采样及过零检测电路和负载电流过零检测电路分别将主电源的电压波形和负载电流的波形变换为方波信号送入控制单元，控制单元一旦检测到主电源电压转换过后的方波信号的上升沿，则令主电源相位指针p_phase＝0，并且控制单元的捕获单元会自动把Tx的当前计数值读入到控制器堆栈中，根据连续沿两次上升捕获的的时间差值，计算主电源的频率，控制单元一旦检测到负载电流转换过后的方波信号的上升沿，零负载电流相位指针p_current＝0，在以后每进入一次采样中断子程序令相位指针p_phase的值i₁和p_current的值i₂加1，这样读取相位指针p_phase和p_current的值就能知道当前主电源的相位值和当前负载电流的相位值，如相位指针p_phase的值为i₁，则主电源当前相位值为i₁*360°/M，M为一个主电源周期中的采样次数，在控制单元中的存贮单元中存储正弦值SINTAB[i]＝V*|sin(i₁*360°/M)|，其中i₁＝0，1，2…M-1，其幅值V为峰值电压311V的k倍，其中k取0.85，

切换过程分三种情况：

(2)主电源正常：

主电源电压采样及过零检测电路输入控制单元的方波信号经控制单元采样计算正弦值，与设定正弦值SINTAB[p_phase]比较，如果连续年n次大于设定值V，则判定主电源正常：驱动单元保持第一、二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管导通，第一防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管与第二防倒灌切换单元的反并联二极管组成负载电流的正向通路，第二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管与第一防倒灌切换单元的反并联二极管组成负载电流的反向通路；驱动单元使第三、四防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管关断，第三、四防倒灌切换单元中的反并联二极管也不导通，这时在主电源正常时，只有主电源对负载供电，后备电源的供电通路被切断，

在主电源正常时，在主电源电压过零时刻，控制器调整后备电源的输出电压的相位使其与主电源的相位相同，调整过程如下：读取控制单元中存储的后备电源的相位指针值i₃，如果后备电源的相位指针信号为0，则代表后备电源输出电压与主电源输出电压的相位一致，控制器通过主电源的正弦值输出的正弦脉宽调制信号。经后备电源逆变电路单元将后备电源的频率设置为捕获单元捕获到的主电源的频率；如果后备电源的相位指针值i₃为1到M/(2-1)。即后备电源的电压相位超前主电源电压相位0.45度到180度，控制器通过输出的正弦脉宽调制信号，经后备电源逆变电路单元则减小后备电源的输出电压波形的频率，根据相位差值，将Tx定时器周期寄存器加1实现减小后备电源电压频率，逐步跟踪上市电相位；如果后备电源的相位指针信号i₃为M/2到(M-1)，即后备电源的电压相位滞后于主电源的电压相位0.45度到180度，控制器通过输出的正弦脉宽调制信号，经后备电源逆变电路单元则增加后备电源的输出电压波形的频率，根据相位差值，将Tx定时器周期寄存器减1实现增加后备电源电压频率，逐步跟踪上市电相位。如果再次检测到后备电源的相位指针信号为0，则代表后备电源输出电压与主电源输出电压的相位一致，锁相完成。控制器通过主电源的正弦值输出的正弦脉宽调制信号。经后备电源逆变电路单元将后备电源的频率设置为捕获单元捕获到的主电源的频率；

在主电源正常时，调整后备电源的输出电压的幅值使其与主电源的幅值保持一致：用后备电源的输出电压的幅值减去主电源电压幅值，如果差值大于零，则减小后备电源的输出电压的幅值，如果差值小于零，则增大后备电源的输出电压的幅值，如果差值等于零，则后备电源的输出电压的幅值保持不变，

(2)主电源不正常切换至后备电源：

如果主电源电压采样及过零检测电路输入的方波信号连续n次不大于设定正弦值SINTAB[p_phase]，判定主电源不正常，则切换为后备电源为负载供电，分为4个步骤实现：

步骤1，负载电流过零检测电路检测并判断出正负半周期信号送入控制单元，驱动单元根据负载电流过零检测信号动作：如果负载电流是正半周期则先关断第一防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则先关断第二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤2，完成步骤1间隔1毫秒后：如果负载电流是正半周期则开通第三防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则开通第四防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤3，完成步骤2间隔1毫秒后：如果负载电流是正半周期则关断第二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则关断第一防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤4，完成步骤3间隔1毫秒后：如果负载电流是正半周期则开通第三防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则开通第四防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

上述过程顺序开通和关断防倒灌切换单元和设置间隔时间保证了负载单元在切换过程中始终形成电流通路，切换过程不会因为系统误判断主电源故障而造成的负载断电，

(3)当主电源恢复正常，调整后备电源的输出电压的波形，具体调整方式如情况(1)中所述调整方式一样，使后备电源输出电压与主电源电压同频同相同幅值，然后在主电源电压或负载电流过零点时，则切换为主电源为负载供电，分为四个步骤：

步骤1，负载电流过零检测电路检测并判断出正负半周期信号送入控制单元，驱动单元根据负载电流过零检测信号进行如下动作：如果负载电流是正半周期则先关断第三防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则先关断第四防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤2，完成步骤1间隔1毫秒后：如果负载电流是正半周期则开通第二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则开通第一防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤3，完成步骤2间隔1毫秒后，如果负载电流是正半周期则关断第四防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则关断第三防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤4，完成步骤3间隔1毫秒后，如果负载电流是正半周期则开通第一防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则开通第二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

上述过程顺序开通和关断防倒灌切换单元和设置间隔时间保证了负载单元在切换过程中始终形成电流通路，切换过程不会因为系统误判断主电源故障而造成的负载断电。

本发明提出了一种新型切换电路结构，同时基于数字控制芯片，运用数字控制技术和快速全控开关器件的同步触发特性设计了后备式电源智能无缝切换系统。有效解决现有后备电源在切换过程中所产生的快速性和可靠性不合要求的问题。成本低，安全性高，操作简便，人机交互性能强。

本发明主要包含各个硬件电路单元、控制软件程序，重点以下几个部分：

1、防倒灌切换单元由快速全控开关器件和反并联二极管构成，通过控制单元对全控开关器件进行驱动控制。

2、智能控制电源切换系统可以在后备状态下实时监控主电源工作状态、设备运行状态，电压、电流采样电路快速采集运行状态信息送入控制单元。

3、该发明无缝切换过程实现智能控制。

4、切换对象是交流供电电源，需要保证切换过程中电压同频同相，采用电压、电流采样及过零检测电路和数字锁相软件实现后备电源与主电源的同步。

本发明的优点在于：

1、本发明所设计防倒灌切换电路单元能够同时实现交流防倒灌与切换功能。

2、本发明所设计的快速全控开关器件控制软件程序能够保证交流供电无缝切换。切换时间在2毫秒左右。

3、本发明设计了数字跟踪软件程序，方便地实现后备电源与主电源输出电压同频同相，保证了切换过程中负载供电平滑过渡。

附图说明：

图1后备式交流电源智能无缝切换系统框图。

图2无缝切换主电路原理图。

图3后备式交流电源智能无缝切换系统电路图。

图4切换系统软件流程图。

图5后备电源输出电压跟踪主电源电压的数字锁相程序流程图。

图6后备电源系统框图。

具体实施方式：

以下结合附图及实施案例，对发明作详细说明。本处描述的具体实施案例用于解释本发明，并不用于限定本发明。

切换系统电路主要包括无缝切换主电路，负载电流采样及检测电路，主电源电压采样及过零检测电路，后备电源电压采样及过零检测电路，驱动单元电路。

1、无缝切换主电路：

无缝切换主电路中包含四个防倒灌切换单元，连接关系如图2所示。实施案例中快速全控开关器件采用绝缘栅双极型晶体管IGBT，每个防倒灌切换单元由一只IGBT与一只反并联二极管组成。以防倒灌切换单元A为例，E_A为IGBT发射极，与二极管正极D_A-A相连，C_A为IGBT集电极与二极管负极D_A-K相连。G_A为IGBT门极与切换控制单元相连，由控制单元发出信号进行控制。防倒灌切换单元A与防倒灌切换单元B在主电源一侧，对主电源实施切换。防倒灌切换单元C与防倒灌切换单元D在后备交流电源一侧，对后备电源实施切换。当主电源工作时，防倒灌切换单元A与防倒灌切换单元B的IGBT门极接收导通驱动信号。驱动信号PWMA、PWMB、PWMC和PWMD由图3中所示5号驱动单元提供，目的是控制防倒灌切换单元IGBT的导通和关断。

如图2所示：设定主电源供电与防倒灌切换单元A相连一端为L1，与防倒灌切换单元B相连的一端为N1。后备电源供电与防倒灌切换单元C相连的一端为L2，与防倒灌切换单元D相连一端为N2。负载与防倒灌切换单元A、C相连的一端为M，与防倒灌切换单元B、D相连的一端为N。图中I点为负载电流过零检测点。

主电源正常供电情况下，防倒灌切换单元A的IGBT与防倒灌切换单元B的IGBT接收导通信号。由于IGBT与二极管均为单向导通器件，电压正半波时通过防倒灌切换单元B的IGBT与防倒灌切换单元A的二极管形成电流通路，电压负半波时通过防倒灌切换单元A的IGBT与防倒灌切换单元B的二极管形成电流通路，保证交流通路畅通。此时控制后备电源输出电压略小于主电压正常供电值，防倒灌切换单元C与防倒灌切换单元D的IGBT关断，不对负载输出功率，后备电源处于热后备状态。并且控制后备电源输出电压与负载电压相位相同，而后备电源的电流无法在主电源一侧形成通路，故而能够保证防止电流倒灌。防倒灌切换单元电路同时实现切换与防倒灌功能。

2、电压、电流采样及过零检测电路

图3中的电路即分别为负载电流过零检测电路，主电源电压采样及过零检测电路，后备电源电压采样电路。具体的案例应用电路如下所示。

图3所示负载电流过零检测电路，DSP的A/D输入范围0～3.3V，需要用调理电路将交流信号转变为A/D口能接受的电压范围，在图2所示的I点采用型号GCT220A的电流霍尔传感器接入负载电路，将负载电流信号送入由电阻、电容和放大器组成的调理电路。由R13将电流信号转换为电压信号，电容C5滤除杂波。放大器U2选用型号为LM393N的双电压比较器。经过反馈放大及与零电平比较后输出脉冲波信号送入DSP的79号引脚，DSP通过检测上升沿与下降沿即可得到过零信号。

图3所示主电源电压采样及过零检测电路。端子P1的1、2号接口分别接入主电源N1、L1端，输入电压范围为±311V。通过电阻R1～R6按比例降压，C1、C2电容滤除杂波。经过放大器后按比例缩小为±2.41V。电阻R9与R10阻值相同，将提升3.3V后的电压值二分之一送入放大器，减小输入阻抗。最后形成在0～3.3V之间的主电源电压采样信号送入DSP的110号引脚。同时比例缩小的电压信号送入过零检测部分。经过反馈放大及与零电平比较后输出脉冲波信号送入DSP的83号引脚，DSP通过检测上升沿与下降沿即可得到过零信号。

图3所示后备电源电压采样电路，其工作原理与2号电路的电压采样部分类似。端子P2的1、2号接口分别接入主电源N2、L2端，输入电压范围为±311V。通过电阻R17～R22按比例降压，C7、C8电容滤除杂波。经过放大器后按比例缩小为±2.41V。电阻R25与R26阻值相同，将提升3.3V后的电压值二分之一送入放大器，减小输入阻抗。最后形成在0～3.3V之间的后备电源电压采样信号送入DSP的112号引脚。

3、驱动单元电路

驱动单元电路采用IGBT驱动芯片M57962L，完成驱动信号的功率放大，又能提供反压加快功率管的关断，提供功率管过流保护信号。

控制单元采用型号为TMS2000LF2407的DSP芯片。

4、控制单元设置及后备电源输出电压跟踪主电源电压的数字锁相过程

控制单元的捕获单元设置为只捕捉上升沿，即捕获信号的相位过零点，捕获单元使用Tx定时器，Tx设为单增记数模式，主电源电压采样及过零检测电路和负载电流过零检测电路分别将主电源的电压波形和负载电流的波形变换为方波信号送入控制单元，控制单元一旦检测到主电源电压转换过后的方波信号的上升沿，则令主电源相位指针p_phase＝0，并且控制单元的捕获单元会自动把Tx的当前计数值读入到控制器堆栈中，根据连续沿两次上升捕获的的时间差值，计算主电源的频率，控制单元一旦检测到负载电流转换过后的方波信号的上升沿，零负载电流相位指针p_current＝0，在以后每进入一次采样中断子程序令相位指针p_phase的值i₁和p_current的值i₂加1，这样读取相位指针p_phase和p_current的值就能知道当前主电源的相位值和当前负载电流的相位值，如相位指针p_phase的值为i₁，则主电源当前相位值为i₁*360°/M，M为一个主电源周期中的采样次数，M＝800，在控制单元中的存贮单元中存储正弦值SINTAB[i]＝V*|sin(i₁*360°/M)|，其中i₁＝0，1，2…M-1，其幅值V为峰值电压311V的k倍，其中k取0.85，

读取控制单元中存储的后备电源的相位指针值i₃，如果后备电源的相位指针信号为0，则代表后备电源输出电压与主电源输出电压的相位一致，控制器通过主电源的正弦值输出的正弦脉宽调制信号。经后备电源逆变电路单元将后备电源的频率设置为捕获单元捕获到的主电源的频率；如果后备电源的相位指针值i₃为1到M/(2-1)(M值为800)。即后备电源的电压相位超前主电源电压相位0.45度到180度，控制器通过输出的正弦脉宽调制信号，经后备电源逆变电路单元则减小后备电源的输出电压波形的频率，根据相位差值，将Tx定时器周期寄存器加1实现减小后备电源电压频率，逐步跟踪上市电相位；如果后备电源的相位指针信号i₃为M/2到(M-1)(M值为800)，即后备电源的电压相位滞后于主电源的电压相位0.45度到180度，控制器通过输出的正弦脉宽调制信号，经后备电源逆变电路单元则增加后备电源的输出电压波形的频率，根据相位差值，将Tx定时器周期寄存器减1实现增加后备电源电压频率，逐步跟踪上市电相位。如果再次检测到后备电源的相位指针信号为0，则代表后备电源输出电压与主电源输出电压的相位一致，锁相完成。

5、后备电源系统

图6所示为后备电源系统框图，控制单元连接后备电源逆变电路单元，通过控制程序调整后备电输出电压相位、幅值与频率。具体过程为：控制单元输出设定好相位、频率和幅值信息的正弦脉宽调制信号SPWM，输出至后备电源的逆变电路单元的后备电源驱动电路，后备电源驱动电路驱动后备电源逆变电路单元的开关器件绝缘栅极双极型晶体管T_1、T₂、T₃、T₄按照正弦脉宽调制信号进行开关动作，输出逆变波形，经过后备电源LCL(电感La、电容Ce、电感Lb)滤波电路滤波后连接到后备电源的第一、二输出端N₂、L₂。

后备式交流电源无缝切换系统，根据图4所示系统控制软件流程，分三种情况完成切换：

(1)主电源正常：

主电源电压采样及过零检测电路输入控制单元的方波信号经控制单元采样计算正弦值，与设定正弦值SINTAB[p_phase]比较，如果连续10次大于设定值V，则判定主电源正常：驱动单元保持第一、二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管导通，第一防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管与第二防倒灌切换单元的反并联二极管组成负载电流的正向通路，第二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管与第一防倒灌切换单元的反并联二极管组成负载电流的反向通路；驱动单元使第三、四防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管关断，第三、四防倒灌切换单元中的反并联二极管也不导通，这时在主电源正常时，只有主电源对负载供电，后备电源的供电通路被切断，

在主电源正常时，在主电源电压过零时刻，控制器调整后备电源的输出电压的相位使其与主电源的相位相同，调整过程如下：读取控制单元中存储的后备电源的相位指针值i₃，如果后备电源的相位指针信号为0，则代表后备电源输出电压与主电源输出电压的相位一致，控制器通过主电源的正弦值输出的正弦脉宽调制信号。经后备电源逆变电路单元将后备电源的频率设置为捕获单元捕获到的主电源的频率；如果后备电源的相位指针值i₃为1到M/(2-1)(M值为800)。即后备电源的电压相位超前主电源电压相位0.45度到180度，控制器通过输出的正弦脉宽调制信号，经后备电源逆变电路单元则减小后备电源的输出电压波形的频率，根据相位差值，将Tx定时器周期寄存器加1实现减小后备电源电压频率，逐步跟踪上市电相位；如果后备电源的相位指针信号i₃为M/2到(M-1)(M值为800)，即后备电源的电压相位滞后于主电源的电压相位0.45度到180度，控制器通过输出的正弦脉宽调制信号，经后备电源逆变电路单元则增加后备电源的输出电压波形的频率，根据相位差值，将Tx定时器周期寄存器减1实现增加后备电源电压频率，逐步跟踪上市电相位。如果再次检测到后备电源的相位指针信号为0，则代表后备电源输出电压与主电源输出电压的相位一致，锁相完成。控制器通过主电源的正弦值输出的正弦脉宽调制信号。经后备电源逆变电路单元将后备电源的频率设置为捕获单元捕获到的主电源的频率；

在主电源正常时，调整后备电源的输出电压的幅值使其与主电源的幅值保持一致：用后备电源的输出电压的幅值减去主电源电压幅值，如果差值大于零，则减小后备电源的输出电压的幅值，如果差值小于零，则增大后备电源的输出电压的幅值，如果差值等于零，则后备电源的输出电压的幅值保持不变，

(2)主电源不正常切换至后备电源：

如果主电源电压采样及过零检测电路输入的方波信号连续10次不大于设定正弦值SINTAB[p_phase]，判定主电源不正常，则切换为后备电源为负载供电，分为4个步骤实现：

步骤1，负载电流过零检测电路检测并判断出正负半周期信号送入控制单元，驱动单元根据负载电流过零检测信号动作：如果负载电流是正半周期则先关断第一防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则先关断第二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤2，完成步骤1间隔1毫秒后：如果负载电流是正半周期则开通第三防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则开通第四防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤3，完成步骤2间隔1毫秒后：如果负载电流是正半周期则关断第二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则关断第一防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤4，完成步骤3间隔1毫秒后：如果负载电流是正半周期则开通第三防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则开通第四防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

上述过程顺序开通和关断防倒灌切换单元和设置间隔时间保证了负载单元在切换过程中始终形成电流通路，切换过程不会因为系统误判断主电源故障而造成的负载断电，

(3)当主电源恢复正常，调整后备电源的输出电压的波形，具体调整方式如情况(1)中所述调整方式一样，使后备电源输出电压与主电源电压同频同相同幅值，然后在主电源电压或负载电流过零点时，则切换为主电源为负载供电，分为四个步骤：

步骤1，负载电流过零检测电路检测并判断出正负半周期信号送入控制单元，驱动单元根据负载电流过零检测信号进行如下动作：如果负载电流是正半周期则先关断第三防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则先关断第四防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤2，完成步骤1间隔1毫秒后：如果负载电流是正半周期则开通第二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则开通第一防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤3，完成步骤2间隔1毫秒后，如果负载电流是正半周期则关断第四防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则关断第三防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤4，完成步骤3间隔1毫秒后，如果负载电流是正半周期则开通第一防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则开通第二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

上述过程顺序开通和关断防倒灌切换单元和设置间隔时间保证了负载单元在切换过程中始终形成电流通路，切换过程不会因为系统误判断主电源故障而造成的负载断电。

Claims (5)

1.后备式交流电源智能无缝切换系统，其特征在于负载分别通过第一、二防倒灌切换单元与主电源第一、二输出端连接负载，分别通过第三、四防倒灌切换单元与后备电源第一、二输出端连接，第一、三防倒灌切换单元相连接，第二、四防倒灌切换单元相连接，控制单元与驱动单元连接，驱动单元分别与各防倒灌切换单元连接，负载电流过零检测电路有电流霍尔传感器接入负载电路，其输出经电阻、电容和放大器组成的调理电路后再经反馈放大及零电平比较后输出脉冲波数字信号到控制单元，主电源电压采样及过零检测电路端子的第一、二接口分别接主电源的第一、二输出端(N₁)、(L₁)，输入电压经电阻按比例降压，电容滤波，一路经过零检测电路接控制单元，另一路电压信号经放大后接控制单元，后备电源电压采样电路端子的第一、二接口分别接后备电源的第一、二输出端(N₂)、(L₂)，电压信号通过电阻按比例降压，电容滤波，经第一放大器按比例缩小，再经第二放大器接控制单元，控制单元连接后备电源驱动单元，后备电源驱动单元连接后备电源逆变电路单元的开关器件(T₁)、(T₂)、(T₃)、(T₄)，开关器件输出经过第一、二结点(Ta)、Tb)连接后备电源LCL滤波电路，经过滤波后连接到后备电源的第一、二输出端(N₂)、(L₂)。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于防倒灌切换单元和开关器件(T₁)、(T₂)、(T₃)、(T₄)由一只绝缘栅双级型晶体管IGBT与一只反并联二级管组成，防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管的门极与驱动单元连接，其集电极与二极管负极连接，其发射极与二极管正极连接，集电极与负载相连，发射极与主电源或后备电源连接，第一、三防倒灌单元的二极管的负极相连，第二、四防倒灌单元的二级管负极相连，开关器件的门极与后备电源驱动单元连接，第一、三开关器件的发射极与二极管正极、后备电源正极，后备电源第二输出端连接，第二、四开关器件的发射极分别经第一、二结点(Ta)，(Tb)与第一、三开关器件的集电极连接，第二、四开关器件的集电极与后备电源负极、第二结点(Tb)和第一输出端(N₂)连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于驱动单元，后备电源驱动单元为集成块M57962L，控制单元为集成块TMS2000LF2407。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于控制单元连接后备电源逆变电路单元，通过控制程序调整后备电输出电压相位、幅值与频率，过程为：控制单元根据主电源电压采样及过零检测电路采集的相位、频率和幅值输出设定好相位、频率和幅值信息的正弦脉宽调制信号(SPWM)，输出至后备电源驱动单元，后备电源驱动单元驱动后备电源逆变电路单元的开关器件(T₁)、(T₂)、(T₃)、(T₄)按照正弦脉宽调制信号进行开关动作，输出逆变波形，经过后备电源LCL滤波电路滤波后连接到后备电源的第一、二输出端(N₂)、(L₂)。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于主电源和后备电源的切换流程如下：控制单元的捕获单元设置为只捕捉上升沿，即捕获信号的相位过零点，捕获单元使用Tx定时器，Tx设为单增记数模式，主电源电压采样及过零检测电路和负载电流过零检测电路分别将主电源的电压波形和负载电流的波形变换为方波信号送入控制单元，控制单元一旦检测到主电源电压转换过后的方波信号的上升沿，则令主电源相位指针p_phase＝0，并且控制单元的捕获单元会自动把Tx的当前计数值读入到控制器堆栈中，根据连续沿两次上升捕获的的时间差值，计算主电源的频率，控制单元一旦检测到负载电流转换过后的方波信号的上升沿，零负载电流相位指针p_current＝0，在以后每进入一次采样中断子程序令相位指针p_phase的值i₁和p_current的值i₂加1，这样读取相位指针p_phase和p_current的值就能知道当前主电源的相位值和当前负载电流的相位值，如相位指针p_phase的值为i₁，则主电源当前相位值为i₁*360°/M，M为一个主电源周期中的采样次数，在控制单元中的存贮单元中存储正弦值SINTAB[i]＝V*|sin(i₁*360°/M)|，其中i₁＝0，1，2…M-1，其幅值V为峰值电压311V的k倍，其中k取0.85，

切换过程分三种情况：

(1)主电源正常：

主电源电压采样及过零检测电路输入控制单元的方波信号经控制单元采样计算正弦值，与设定正弦值SINTAB[p_phase]比较，如果连续n次大于设定值V，则判定主电源正常：驱动单元保持第一、二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管导通，第一防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管与第二防倒灌切换单元的反并联二极管组成负载电流的正向通路，第二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管与第一防倒灌切换单元的反并联二极管组成负载电流的反向通路；驱动单元使第三、四防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管关断，第三、四防倒灌切换单元中的反并联二极管也不导通，这时在主电源正常时，只有主电源对负载供电，后备电源的供电通路被切断，

在主电源正常时，在主电源电压过零时刻，控制器调整后备电源的输出电压的相位使其与主电源的相位相同，调整过程如下：读取控制单元中存储的后备电源的相位指针值i₃，如果后备电源的相位指针信号为0，则代表后备电源输出电压与主电源输出电压的相位一致，控制器通过主电源的正弦值输出的正弦脉宽调制信号，经后备电源逆变电路单元将后备电源的频率设置为捕获单元捕获到的主电源的频率；如果后备电源的相位指针值i₃为1到M/(2-1)，即后备电源的电压相位超前主电源电压相位0.45度到180度，控制器通过输出的正弦脉宽调制信号，经后备电源逆变电路单元则减小后备电源的输出电压波形的频率，根据相位差值，将Tx定时器周期寄存器加1实现减小后备电源电压频率，逐步跟踪上市电相位；如果后备电源的相位指针信号i₃为M/2到(M-1)，即后备电源的电压相位滞后于主电源的电压相位0.45度到180度，控制器通过输出的正弦脉宽调制信号，经后备电源逆变电路单元则增加后备电源的输出电压波形的频率，根据相位差值，将Tx定时器周期寄存器减1实现增加后备电源电压频率，逐步跟踪上市电相位。如果再次检测到后备电源的相位指针信号为0，则代表后备电源输出电压与主电源输出电压的相位一致，锁相完成。控制器通过主电源的正弦值输出的正弦脉宽调制信号，经后备电源逆变电路单元将后备电源的频率设置为捕获单元捕获到的主电源的频率；

在主电源正常时，调整后备电源的输出电压的幅值使其与主电源的幅值保持一致：用后备电源的输出电压的幅值减去主电源电压幅值，如果差值大于零，则减小后备电源的输出电压的幅值，如果差值小于零，则增大后备电源的输出电压的幅值，如果差值等于零，则后备电源的输出电压的幅值保持不变，

(2)主电源不正常切换至后备电源：

如果主电源电压采样及过零检测电路输入的方波信号连续n次不大于设定正弦值SINTAB[p_phase]，判定主电源不正常，则切换为后备电源为负载供电，分为4个步骤实现：

步骤1，负载电流过零检测电路检测并判断出正负半周期信号送入控制单元，驱动单元根据负载电流过零检测信号动作：如果负载电流是正半周期则先关断第一防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则先关断第二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤2，完成步骤1间隔1毫秒后：如果负载电流是正半周期则开通第三防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则开通第四防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤3，完成步骤2间隔1毫秒后：如果负载电流是正半周期则关断第二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则关断第一防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤4，完成步骤3间隔1毫秒后：如果负载电流是正半周期则开通第三防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则开通第四防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

上述过程顺序开通和关断防倒灌切换单元和设置间隔时间保证了负载单元在切换过程中始终形成电流通路，切换过程不会因为系统误判断主电源故障而造成的负载断电，

(3)当主电源恢复正常，调整后备电源的输出电压的波形，具体调整方式如情况(1)中所述调整方式一样，使后备电源输出电压与主电源电压同频同相同幅值，然后在主电源电压或负载电流过零点时，则切换为主电源为负载供电，分为四个步骤：

步骤1，负载电流过零检测电路检测并判断出正负半周期信号送入控制单元，驱动单元根据负载电流过零检测信号进行如下动作：如果负载电流是正半周期则先关断第三防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则先关断第四防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤2，完成步骤1间隔1毫秒后：如果负载电流是正半周期则开通第二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则开通第一防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤3，完成步骤2间隔1毫秒后，如果负载电流是正半周期则关断第四防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则关断第三防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

步骤4，完成步骤3间隔1毫秒后，如果负载电流是正半周期则开通第一防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管，如果负载电流是负半周期，则开通第二防倒灌切换单元的绝缘栅双级型晶体管；

上述过程顺序开通和关断防倒灌切换单元和设置间隔时间保证了负载单元在切换过程中始终形成电流通路，切换过程不会因为系统误判断主电源故障而造成的负载断电。

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